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表面张力对乙醇液滴冲击过冷水平壁面的铺展动力学行为的影响（一）
来源：西安交通大学学报 浏览 217 次 发布时间:2025-01-02
摘要:为探究表面张力对液滴冲击过冷水平壁面铺展动力学行为的影响，搭建了可视化实验系统，探究了乙醇液滴冲击过冷水平壁面的铺展动力学行为，分析了水平壁面过冷度对低表面张力液滴冲击铺展动力学行为的影响。实验中，采用亲水硅水平壁面及较小的冲击速度以观测乙醇液滴冲击过冷水平壁面的铺展动力学行为。此外，还比较了不同的最大铺展因子和最大铺展时间的典型模型对乙醇液滴冲击过冷水平壁面铺展动力学因子的适用性。结果表明:乙醇液滴冲击过冷亲水水平壁面的铺展动力学行为分为飞溅、铺展、稳定3个阶段;最大铺展时间随水平壁面过冷度的增大而减小;水平壁面过冷度对最大铺展因子的影响是非单调的，在水平壁面过冷度较低时，最大内部铺展因子减小起主要作用，在水平壁面过冷度较高时，由于瑞利-泰勒不稳定性的增强，无量纲手指状突起增大起主要作用，二者共同作用造成了非单调变化;现有模型对于最大铺展时间的预测效果较好，相对平均偏差为6.05%，而对最大铺展因子的预测效果较差。
在日常生活与工业生产中，液滴冲击固体水平壁面这一物理过程广泛存在。例如，拍打在荷叶水平壁面于中心聚集的水滴，下雨天从高空冲击在雨伞上的雨滴飞溅，内燃机中未燃尽的油滴冲击燃烧室壁面，航空发动机内部小水滴冲击叶片造成的侵蚀等。因此，深入探究液滴冲击固体水平壁面的铺展特性、飞溅特性和铺展时间，可以对液滴冲击固体水平壁面这一物理过程制定控制策略，这对黄瓜视频免费下载的日常生活及工业生产具有重要意义。
迄今为止，对于液滴冲击水平壁面的动力学行为，已有众多学者针对液滴物性进行了一系列研究。
Kulkarni等通过在液体中增加活性剂，改变表面张力，确定了尿素液滴冲击水平壁面的4种模式，即沉积、热雾化、回弹和破碎。Lin等利用修正的毛细惯性时间，考虑液体黏度和水平壁面润湿性对液滴铺展的影响，得到了描述最大铺展时间的修正表达式。Zhao等研究了黏性液滴对超重力水平壁面的影响，表明最大铺展因子随着韦伯数或雷诺数的增加而增加，但随着液体黏度的增加而减小。
不仅如此，也有众多学者展开了过冷水平壁面的液滴冲击动力学研究。Ding等利用高速摄像机，并采用液滴铺展因子、无量纲高度、特征时间、反弹能量和二次液滴质量分数来反映动力学行。
Qian等对冷弹性超疏水膜进行了液滴冲击实验，研究了水平壁面硬度和冲击速度对液滴冲击过程的影响，与弹性疏水膜相比，弹性超疏水膜具有更强的防冰性能。Castillo等通过冷冻液滴和邻近液滴之间的热量和质量交换来研究液滴之间的相互作用，在冷冻液滴的最终形状中观察到不对称性。
Liu等利用流体体积(VOF)法和焓-孔隙度技术建立了一个数值模型，并通过模拟和实验比较了液滴轮廓和铺展面积因子。Zhang等利用VOF多相模型和凝固/熔化相变模型，建立了一个同时考虑过冷度对物理性质的影响和动态接触角对接触线运动的影响的数值模型来模拟液滴的冲击-冻结行为。
尽管如此，目前针对低表面张力液滴冲击过冷水平壁面的研究仍有所欠缺。液滴在过冷表面上的冲击和应用在生活中也十分常见，例如喷雾冻结、高空中的过冷水滴冲击机翼导致结冰、过冷喷涂等。本文针对乙醇液滴冲击过冷亲水水平壁面这一基本物理现象开展实验，针对其铺展动力学行为进行分析与讨论，旨在探究低表面张力对液滴冲击过冷水平壁面的铺展动力学行为的影响。这一研究有助于加深对固液接触现象的理解，为更好的控制固液介面接触提供有效指导。
1、实验方法
1.1实验系统
本文实验系统如图1所示，选择常温状态下的无水乙醇(质量分数99.9%，Tansoole)进行实验。常温下，该液体的密度ρ为788.69kg/m3，表面张力σ为0.023N/m，黏度μ为0.0012Pa·s，乙醇液滴的初始温度为20℃。注射泵(Harvard，PHD-Ultra)通过推动总量程为5mL的注射器以生成乙醇液滴，当针尖处液滴的自身重力大于其表面张力时，液滴从针尖脱落。针尖的外径为(0.23±0.02)mm，液滴的初始直径D0为(1.75±0.08)mm，针尖底部距离过冷水平壁面的距离为335mm，液滴冲击过冷水平壁面的初速度U0为(2.43±0.19)m/s。使用高速相机(Photron，Fastcam-MiniAX100)拍摄了液滴冲击过冷水平壁面的过程，拍摄速度为18000帧/s，镜头方向与水平方向夹角为54°和0°。
液滴冲击的水平壁面为硅片(亲水光滑硅片)，乙醇液滴在该水平壁面上的静态接触角为8.5°。硅片紧密贴合于一半导体制冷片的冷端，半导体制冷片的热端与循环制冷机(JULABO，CD-300F)的冷却模块贴合，通过这种方式，硅片的温度Ts的范围为0~-36℃。水平壁面温度为硅片两个对称布置的K型热电偶(Omega，精度为±0.1K)的测量值的平均值。环境温度为(20±1)℃，相对湿度为(35±2)%。为了尽量消除过冷表面结霜对表面粗糙度的影响，每次实验前利用无纺布沿同一方向对实验水平壁面进行擦拭。为确保实验数据的可靠性，每组实验至少重复3次，对重复的结果进行计算，所获得的标准方差为误差棒。